手性聚苯胺及其与无机吸收剂复合材料的制备和吸波性能研究

摘要

雷达波吸收材料（RAM）是现代飞行器、武器装备隐身的重要支撑材料，是雷达隐身的基础。随着现代探测技术的迅猛发展和探测设备的不断更新应用，给作战装备带来了极大的威胁。目前，传统的吸波材料已经取得了一定的研究进展，实现了工程化应用。但是，仍然存在吸波频带窄、吸波强度低、环境稳定性差等问题。为了提高作战装备的生存概率、提升作战装备的突防性能和提高吸波材料的应用稳定性，急需在传统吸收剂的基础上，揭示新的吸波机理，研究新型高效吸收剂。
　　本文从电磁波理论研究和吸波机理分析出发，结合新型高分子吸波材料聚苯胺(PANI)在吸波性能上的独特特点，对传统吸收剂进行修饰改性，研制出了手性聚苯胺（chiral PANI）、chiral-PANI/SiC、chiral-PANI/PVP/CIP等新型高效复合吸收剂。本文借助电子扫描电镜（SEM）、红外光谱分析仪（FTIR）、X射线衍射仪（XRD）、电化学工作站、电导率测试仪、热重分析仪（TGA）、矢量网络分析仪（VNA）等材料检测设备对制备的新型复合吸收剂的形貌、结构和电磁性能等进行了测试和分析，探讨了形貌结构、电磁参数对复合吸波材料吸波性能的影响。并根据电磁波传输线理论，采用计算机辅助计算优化设计快速表征了复合吸波材料的吸波性能，制备出阻抗匹配性能好、吸波性能优异的新型复合吸波材料。
　　主要研究内容及结论如下：
　　⑴在0.4 T恒定磁场条件下采用原位化学氧化聚合法制备了手性聚苯胺（chiral PANI）。探讨了磁场环境对chiral PANI微观形貌、手性性能、电导率、电磁性能和吸波性能的影响。研究表明，磁场作用对自由基类的手性聚苯胺合成具有显著影响，尤其是在提高chiral PANI产物的取向性、电导率方面有着明显作用。磁场作用有利于三重态自由基的生成，使得chiral PANI产物的分子链更加伸展，手性结构更长，排列更为有序。由于磁场作用加强了手性酸D-CSA的诱导取向能力，使得chiral PANI产物的电导率、介电损耗能力和磁损耗能力都有了较大提高，具有了更优的电磁波损耗能力。磁场效应的加入大大增强了chiral PANI的微波吸收性能，最小雷达波反射率（RL）比非磁场条件下制备的手性聚苯胺降低了21.77％，RL＜-10 dB的有效带宽增加了4.7倍。
　　⑵采用原位化学氧化聚合法，通过复合电损耗型吸收剂 SiC和chiral-PANI制备了核壳结构吸收剂 chiral-PANI/SiC，表征分析了 chiral-PANI/SiC复合吸收剂的微观形貌、结构、热稳定性、电磁参数及微波吸收性能。通过红外光谱（FTIR）、X射线衍射光谱（XRD）对chiral PANI与chiral-PANI/SiC复合吸收剂进行的表征分析，比较发现SiC与chiral PANI之间存在一定的相互作用力；通过扫描电子显微镜（SEM）对其进行的形貌观察，显示SiC颗粒被一维chiral PANI均匀包覆；通过热重分析仪对其进行热稳定性分析，推算出 chiral-PANI/SiC复合吸收剂中chiral-PANI的质量含量约为31.6%；通过矢量网络分析仪（VNA）对纯 SiC、chiral-PANI与chiral-PANI/SiC复合吸收剂在26.5-40 GHz频段范围内电磁参数的进行了测试分析，经计算机辅助设计计算得出，与纯SiC吸收剂相比，chiral-PANI/SiC吸波材料最小的雷达波反射率继续减小到了-21.53 dB，有效带宽（RL＜-10 dB）提高到了8.10 GHz。结果证明，经chiral-PANI修饰包覆的SiC核壳结构复合吸波材料，吸波强度得到了明显提高，并且拓宽了有效吸收频带。
　　⑶在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）水溶液中采用化学原位氧化聚合法，通过复合电磁损耗型吸收剂CIP和电磁损耗型吸收剂chiral-PANI两种材料，制备了核壳结构的chiral-PANI/PVP/CIP复合吸收剂。通过SEM、FT-IR，XRD、TGA和VNA对复合物微观形貌、吸波性能进行了表征分析，并且对PVP在聚合过程中的作用机理进行了探讨。研究表明：PVP的加入有利于 CIP的分散和保护，有助于形成包覆均匀、体系分散良好的核壳结构chiral-PANI/PVP/CIP复合物。同时，通过对测得到的26.5-40 GHz波段的电磁参数进行计算分析得出，与相同条件下非 PVP水溶液中合成的chiral-PANI/CIP复合吸收剂相比，经 PVP修饰 CIP后合成的chiral-PANI/PVP/CIP复合吸收剂，最小雷达波反射率RL为-19.29 dB，最宽的有效带宽（RL＜-10 dB）达到了11.3 GHz（28.7-40.0 GHz），吸波性能得到大幅提升。
　　本文研究结果表明，chiral PANI及其复合材料吸收剂的手性结构、核壳结构等对电磁波吸收性能具有显著影响，能够有效提高其对电磁波的吸收性能。研究成果为未来高性能吸收剂的研究提供了一种新的方法和途径，具有重要的指导意义。

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英文摘要

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1 绪 论

1.1 现代雷达探测技术的发展

1.2 雷达隐身技术的应用和技术途径

1.3 电磁波传输线理论在吸收剂研究中的应用

1.4 吸波原理

1.5 吸收剂结构在电磁波吸收中的作用

1.6 雷达吸收剂的研究进展

1.7 本论文的目的意义及主要研究内容

2 磁场条件下手性聚苯胺吸波材料的制备及吸波机理探讨

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

3 手性聚苯胺/碳化硅复合吸波材料的吸波机理

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 手性聚苯胺/羰基铁粉核壳结构复合吸波材料的吸波机理

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录